10kV远程电力监测系统的设计与应用

2011-06-22李世光薛春阳桑志峰

电气技术 2011年10期

芮昱李世光薛春阳桑志峰邱彪

（1.山东科技大学信息与电气工程学院山东青岛266510；2.济宁金威热电有限公司，山东济宁272350；3.青岛盘古电气有限公司, 山东青岛266100）

与传统的感应式电能表相比,电子式电能表具有测量精度高,过载能力强,功率消耗低, 性能稳定可靠,体积小,重量轻,操作简便,易于实现管理功能的扩展,一表多用等特点。新型电子式电能表的应用,使供电企业的电能计量管理水平和技术水平都有了很大提高。电子式电能表其显著特点是通信网络采用GPRS无线网络与因特网相结合的方式，每台终端既可以单独工作，也可以组网运行，非常方便进行单级或多级组网；单台设备出现问题不影响整个网络的工作，非常便于维护、安全性能高。由于终端采用GPRS网络通信模式，无须铺设专用通信线路且无须专用设备支持，所以该产品在电力系统自动化管理、或升级改造中有着得天独厚的优势。

电能表采用 GPRS无线网络通信方式。通过GPRS系统还可实现对电表设备进行远程控制，进行参数调整、开关等控制操作。系统网络的传输容量大，配电数据中心和每一个终端保持实时连接,数据库可方便的进行维护，数据库采用SQL Server数据库，可对各种数据进行分析，并可在权限范围内实现局域网或远程数据共享。系统设置多级权限，不同权限的功能有所不同。系统管理员可以根据实际运行情况设置各级权限，方便整个系统的管理与维护。提出采用 GPRS与 Internet 网络相结合的通信手段, 融合 GPRS通信和嵌入式技术的远程无线用电参数检测管理系统方案, 为供电企业信息一体化的推广提供了基础[1]。

1 电力监测系统简介

系统软件：微软公司的Windows 2000；数据库软件：SQL Server2000；应用软件：服务器应用程序采用电力系统专业自动化组态软件 EpSynall开发，客户端软件采用Microsoft公司的Visual C++ 6.0设计；通信协议：《电力负荷管理系统数据传输规约-2004》，支持TCP/UDP/SMS传输模式。

该系统具有以下特点：①功能强：系统在网络通信处理、数据采集、实时数据率刷新和历史数据库查询方面采用了独特的快速算法，确保系统在大数据量、高变化率的前提下能够满足电力系统实时性的要求；②安全性高：监控系统符合电力行业安全防范规则和矿区安全操作规程；③标准化程度高：确保本项目建成的系统符合电网信息系统的统一标准和满足电网目前的要求和长远发展。

2 本系统中GPRS技术的主要特点

1）实时性强

GPRS具有实时在线的特性，组件无需延时，无需轮巡就可以同步接受处理单个或多个数据采集点的数据，可很好的满足对数据采集和传输实时性的要求。

2）可对测控仪和电表设备进行远程控制

通过GPRS组件还可实现对测控仪和电表设备进行远程控制，进行参数调整、开关等控制操作。

3）建设成本低

若采用GPRS的无线公网平台，则只需安装好设备就可使用，不需要为远程抄表进行专门布线，前期投资少，见效快，后期升级、维护成本低。

4）集抄范围广

GPRS覆盖范围广，在网络的覆盖范围之内，都可以完成对集抄的控制和管理。而且，扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区，乡镇和跨地区的接入需求。

5）组件的传输容量大

配电数据中心要和每一个用户数据采集点保持实时连接。由于用户数据采集点数量众多，所以GPRS技术能很好的满足系统对传输突发性数据的要求。

6）数据传送速率高

每个用户数据采集点每次数据传输量在 10kbit/s之内。GPRS网络传送速率理论上可达171.2kbit/s，目前GPRS实际数据传输速率在40kbit/s左右，完全能满足本系统数据传输速率（≥10kbit/s）的需求。

7）通信费用低

采用包月计费方式，运营成本低。

8）操作简单

本系统有强大的后台软件支持，界面设计人性化，操作简单方便。

3 网络化管理系统结构

3.1 市级网络化功能及管理

终端的远程通信功能要配合自主开发的电力信息管理平台及电力局域网来实现。图1所示为电力监测系统的原理框图。

图1 电力监测系统原理框图

市级网络可以分为三层结构：

1）终端层。由分布在各变压器二次侧的电能表构成，电能表除完成计量工作外还可以用作检测电压电流、控制开关离合等功能。终端层数据信息的收发基于GPRS网络，后经GPRS转接到Internet上。

2）服务器层。本层可由一台或多台服务器组成，设于电力公司的调度中心，通过 Internet收发相关信息。服务器的主要作用在于采集数据并实现中转功能，将信息通过电力内网转发至各工作站。

3）工作站层。工作站包括各变电所及电力公司相关部门。服务器层并不实现各站点的查看，所以各种实际功能是在工作站通知服务器来工作的。实际可以实现的功能包括：状态检测、历史查看、远程抄表、报警信息、远程遥控。

3.2 省级网络构架方案

为了达到真正的一体化智能调度体系，还设计了省级一体化管理的具体方案。此方案的主要目的是配合电力公司正在大力投资的智能电网改造，实现省级单位对市级或县级单位的直接网络调度与管理。根据各省不同的网络情况，设计了三套实施方案。

方案一：省级集中式管理体系

可将现已运作成熟的市级网络管理模式直接应用到省级网络方式上。网络结构图如图2所示。

图2 省级集中式管理网络结构

可在省级服务器上安装网络管理系统的服务器端，电能表终端在与市级通信的同时也将与省级服务器建立连接，交换数据。这种模式相当于将城镇网络模式扩大化。省级服务器直接存储了所有终端数据，查询访问速度迅速。由于只是网络模式的扩大而并非实质性的改造，所以城镇系统的原有功能不会在省级系统中减少，并且由于统一管理了多市级或县级终端，可以增添各种数据对比、总结、分析功能。

方案二：基于电力广域网方案

若省级广域网建设成熟，则本系统的省级网络实现相对较简单，可直接利用现有的广域网进行数据交换。考虑到软件的通用和简易性，可将省级对市级的软件模式由原本的C/S架构改为B/S架构，如此可与已有的电力系统办公自动化相结合，达到事半功倍的效果。图3为系统在广域网下的模式框图。

各市级局域网内服务器可经过广域网与省级服务器建立连接交换数据。（图3仅为框图，具体网络细节未涉及）。省级部门人员可通过高权限用户访问各地局域网内数据，数据类型也可根据需要在原有数据类型中进行增减。比如省级部门更注重历史统计，则可增添更加详细的历史数据统计功能。

方案三：VPN实施方案

图3 电力广域网的网络结构

若省级广域网建设并不成熟，或者正在建设中，则可用VPN（虚拟专用网）来实现省级远程访问市级局域网中的服务器[2]。VPN是一种利用公用通信网络来建立专用数据通信网络的技术。VPN能实现专用网络的功能，但不是真实的专用网络。VPN技术的引入既可以大大降低网络工程的创建投入，又可以摆脱部分繁重的网络升级和维护工作量。

将原本运行在市级局域网中的测控系统通过VPN通道与省级服务器建立连接后可以容易实现跨域数据访问。基于这个技术不需要在原有系统基础上做更多技术性更新，方便节约。

3.3 三种方案的对比分析

多种网络构架模式体现了本产品在智能组网方面的灵活性和便捷性。上述三种方案足以应对现存的各种电力内网，公网模式。下面分析一下各方案的优缺点。方案一组网简单，速度快捷，并且可扩展功能多样，但由于数据量较大，消耗服务器资源较多，并且由于是直通式结构安全性较差，可能要花费较多资源在安全维护上。方案二可在原有网络基础上加以改造，不会浪费额外费用，数据分布在各级服务器中，节省网络资源，降低顶端服务器的负担，但需要基于电力广域网，容易受到局限。方案三使用的 VPN技术是现在大型企业常使用的网络技术，稳定可靠[3]。由于VPN自身的特性，可以使网络系统具有节约成本、安全可靠、支持多种网络协议、容易扩展等优点。

综上所述，在实际产品应用时，可根据不同需求来选择最适合的组网模式，尽选其优势避其劣势。虽各方案都达不到十全十美，但总会有最适合现状的方案。并且三种方案在系统扩展升级方面都不会存在问题，这为以后的升级排除了疑虑。

通过以上三个方案的总结，将现已成熟的监测系统推广至省级管理系统并不存在任何技术难题及高费用的问题，完全有能力将系统实现省级一体化管理。

4 系统运行情况分析介绍

4.1 状态检测与历史记录查看

信息管理平台可以根据规定的时间召唤电压电流、有功无功正反向功率，并自动形成电压、电流、负荷合曲线[4]，系统可以保存12个月的检测信息。取样时间间隔可以设定，可选值为 5min、15min、30min、1h、1天。在工作站查看历史数据时只需把相关日期区间提交给服务器就可完成曲线查看，无需再与电能表终端进行通信。

可以通过各参量的历史曲线，很直观地看到三相负荷平衡度，负荷的峰、谷、平分布情况，同时通过历史数据的查询调用所需的电量参数：如三相电压，电流，各相有功，无功，功率因数，电量等。可以根据需要，随意设置抄表时间。

图4 用电量数据查询

4.2 实时监测报警功能

当电压、电流等参量超过设定的值时会越限报警；当某相电压欠压或缺相时也会报警。当供电回路断电时，终端可以在电池供电的情况下继续工作，把断电信息以报警的形式主动向监测中心上传。

图5 监测系统报警信息

4.3 远程通信功能

实时监控，保障负荷的用电。在电力供应紧张期间，为了确保电网安全，通过负荷终端对客户的负荷进行控制，从而实现限电到户和“限电不拉闸”。最大限度地避免全村停电等现象的发生。搭建起迅速沟通的桥梁。快速通知限电，可尽量避免拉闸限电所带来的损失；快速通知用电，可让电力客户在第一时间里获得“有序放开用电”的信息。当电力客户超指标用电时，负控终端自动报警，甚至遥控跳闸断电，使其严格执行相应的有序用电措施。